Оглавление
В мире существует большое разнообразие металлов, которые обладают своими отличительными особенностями и уникальными характеристиками. Некоторые из них отличаются низким или высоким коэффициентом сопротивления, другие являются ковкими, третьи – пластичными.
Существуют металлы, которые отличаются своей невероятной твердостью. Самым известным из них является титан. Однако и у него есть достойные конкуренты.
Характеристика титана
Данный химический элемент в чистом виде был выделен в 1825 году. Удалось это шведскому химику Берцелиусу. Титан – это металл, который имеет серебристо-белый цвет и отличается небольшим весом. Элемент имеет малую молекулярную массу, которая составляет всего 22. Для титана характерны следующие свойства:
1. Плотность твердого титана составляет 4,51 грамм на кубический сантиметр. В жидком состоянии плотность металла снижается до 4,12 грамм на сантиметр кубический.
2. Температура плавления – 1668 градусов Цельсия.
3. Температура закипания – 3227 градусов Цельсия.
4. Твердость НВ – 103. Данный показатель может изменяться в зависимости от наличия и количества примесей.
5. Упругость у титана не самая высокая, что является весомым недостатком материала.
6. При обычных условиях металл не корродирует.
7. Титан – это инертный материал, благодаря этому его широко используют в медицинских целях. Однако инертность снижается под влиянием высоких температур. Таким образом, при ее повышении до 200 градусов, титан начинает активно поглощать водород, меняя свои характеристики.
8. Плохо проводит электрический ток.
По шкале МООСА твердость титана составляет 4,5. Из этого можно сделать вывод, что он не является самым твердым металлом. Тем не менее, из других твердых он получил наибольшее распространение.
Использование титана
Титан применяется практически в каждой области промышленности, притом довольно широко его распространение.
Сегодня материал используется в таких сферах человеческой деятельности:
• Авиастроение. Некоторые элементы самолетов испытывают воздействие высоких температур, а также подвергаются действию деформационных сил. Поэтому в воздушном судне многие детали (элементы шасси, заклепки, некоторые части корпуса) сделаны из титана.
• Космические аппараты. Данная техника испытывает еще большие нагрузки чем самолеты, поэтому здесь также используется титан. В больших количествах материал применяется для обшивки.
• Судостроение.
• Добыча нефти и газа. Титановые компоненты в основном встречаются в бурящих трубах и насосах, работающих под большим давлением.
• Строительство. Титан, который обладает высокой твердостью, необходим для создания особенно важных элементов конструкций.
• Медицинская промышленность. Многие протезы и инструменты изготавливаются из данного металла.
• Спорт. Из титана делаются некоторые велосипедные детали, турники и другой спортивный инвентарь.
• Химическая промышленность. Титан является незаменимым, когда необходимо получить твердое вещество устойчивое к кислотам. В химической промышленности без данного металла невозможно обойтись при изготовлении различных обменников, труб и других различных конструкций.
Несмотря на свою высокую твердость, титан достаточно легкий металл. Данный факт также влияет на широкое распространение использование титана в разных сферах промышленности. Изделия из него отличаются долговечностью.
Особенности титана и его примесей
Данный металл обладает еще одним примечательным свойством – парамагнитность. Это означает, что титан не притягивается под действием магнитного поля, вместе с тем он и не может выталкиваться магнитного поля. В процессе производства пытаются получить максимально чистый металл, где будет минимальное количество примесей. Это необходимо, чтоб получить максимальную твердость вещества.
Если в титане присутствуют неметаллические примеси, то такое вещество получается не таким твердым и более ломким. При этом примеси других металлов сделают материал менее жаропрочным. Если в титане присутствует какая-либо примесь (даже в минимальном количестве), то металл считается техническим. Зачастую данная разновидность проявляет наибольшую противокоррозионную стойкость.
Важно! Необычным свойствам титана является тот факт, что даже минимальное попадание в него другого вещества, в значительной степени влияет на первоначальные характеристики металла.
В сравнении с другими металлами, которые часто используются в хозяйственной деятельности человечества, то титан вдвое прочнее железа и в шесть раз крепче алюминия. Данный материал практически не подвержен коррозии. По данной характеристике он ушел далеко вперед от нержавеющей стали и алюминия.
Получение материала
По распространенности титан занимает 10 место на планете. Зачастую рассматриваемое вещество в природе встречается в виде титановой кислоты, находящейся в минералах. В частности бывают такие титановые руды:
• Анатаз;
• Брукит;
• Первоксит;
• Рутил.
Запасы данных веществ в большом количестве присутствуют в Бельгии, Великобритании, Испании, РФ, США, Франции и Японии.
На данный момент используется несколько вариантов получения титана:
1. Электролиз. Через титановую руду пропускают сильный ток, в результате материал распадается на компоненты.
2. Магниетермия. В первую очередь добывают диоксид титана. Далее вещество хлорируют с добавлением специального катализатора, ведь в естественных условиях процесс будет протекать очень медленно и долго. Вырабатывается газ, который восстанавливается при помощи натрия и магния. Далее смесь нагревается и из нее выплавляется титан.
3. Рафинирование. В данном случае диоксид титана обрабатывают при помощи паров йода. Таким образом получают йодид титана. Полученное вещество нагревается до высоких температур, а также подвергается воздействию тока. На выходе получается йод и титан.
4. Гидридно-кальциевый метод. Для начала добывают гидрид натрия. Далее происходит разделение смеси на составляющие.
На масштабных производствах зачастую используется два метода: магниетермический и гидридно-кальциевый. Это связано с тем, что данные способы позволяют получить чистый титан при самых низких затратах.
Иные металлы с высокой твердостью
Как уже было сказано, титан – это не самый твердый металл на Земле. Он имеет достаточно много конкурентов (если в расчет брать исключительно прочностные характеристики). Кроме титана в мире существуют такие твердые металлы:
• Иридий. На самом деле именно этот материал занимает первое место по твердости. Однако это является также и его минусом: его очень трудно обрабатывать, поэтому его используют крайне редко. Его применяют для изготовления некоторых компонентов в ракетостроении, кроме того, он используется в машиностроении и в производстве шариков для ручек. Иридий плавиться при температуре 2466 градусов Цельсия, имеет светло-серебристый цвет. В природе встречается очень редко, зачастую имеет метеоритное происхождение.
• Рутений. Также очень редкий металл, по подсчетам его на Земле всего около 5 000 тонн. Добыча рутения составляет порядка 18 тонн в год. В связи с тем, что вещества крайне мало, оно используется только как катализатор химически процессов. Кроме того, рутений добавляют к титану, чтоб получить более устойчивый к ржавчине материал.
• Хром. Материал был открыт в середине 18 века. Он имеет голубовато-белый цвет. Нашел применение в металлургии, машиностроении и в науке. В природе имеется достаточно ограниченное количество вещества.
• Бериллий. Данный материал получил распространение в атомной энергетике, кроме того, его используют в производстве рентгеновских аппаратов, громкоговорителей высоких частот, огнеупорных материалов. Бериллий очень сложно обрабатывать, ведь он не только твердый, но еще и очень хрупкий.
• Осмий. По характеристикам очень похож на иридий. Данный материал является тугоплавким, невероятно твердым и сложным в обработке. Зачастую встречается в медицинской промышленности. В частности, его используют практически во всех кардиостимуляторах.
• Вольфрам. Самый тугоплавкий металл на планете, он имеет серебристо-серый оттенок. Благодаря своему свойству используется в элементах накаливания. Довольно часто из него делают тару для хранения радиоактивных веществ. Также из вольфрама делают хирургический инструмент, используется в военной промышленности.
• Уран. Достаточно распространенный твердый металл. Характерной особенностью являются радиоактивные свойства.
Заключение
Твердые материалы нужны во многих областях промышленности. В частности для производства продукции, которая в последствие будет подвергаться сильному силовому влиянию. Такие металлы нужны для постройки космических кораблей, морских и воздушных судов – для всего этого требуется твердый и тугоплавкий материал, который не подвержен коррозии.
В природе существует несколько твердых металлов, однако большинство из них достаточно редкие. Самым популярным стал титан. Для его получения используют несколько методов. В природе он встречается в виде нескольких минералов.
Также в промышленности используют и сплавы титана, ведь примеси в значительной степени могут изменить свойства металла.
